CN101330153A - 防止燃料电池阴极上的碳腐蚀的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种有效防止在燃料电池阴极上发生碳腐蚀的装置。本发明的装置包括空气鼓风机，其将空气从供气源供应到燃料电池；燃料电池，其从空气鼓风机接收空气以便通过化学反应来发电；排气管，在空气中的氧被燃料电池中的化学反应消耗之后剩余的残余空气通过其被排出；压力传感器，其设置在排气管中，用于检测燃料电池中的空气压力；排气电磁阀，其设置在排气管中，用于控制排气管中的空气流；以及控制器，其通过接收由压力传感器检测的信号来控制空气鼓风机和排气电磁阀的运行，其中控制器通过空气传感器来检测空气压力，以使空气鼓风机向燃料电池供应空气，直至空气压力达到预定压力，然后关闭排气电磁阀，直至燃料电池中的氧完全耗尽，从而防止在燃料电池的阳极形成氢/氧界面。

Description

防止燃料电池阴极上的碳腐蚀的装置
根据35U.S.C.§119(a)，本申请要求于2007年6月21日提交的韩国专利申请第10-2007-0060912号的优先权，在此将其全文并入作为参考。
发明领域
本发明涉及一种通过防止在燃料电池的启动和关闭过程中在燃料电池的阳极形成氢/氧界面来防止燃料电池阴极上的碳腐蚀的装置。
背景技术
用作燃料电池运输工具的主电源的燃料电池通过由空气提供的氧与在运输工具的燃料罐中存储的氢之间的反应来发电。
图1是燃料电池运输工具中的燃料电池系统的示意图。燃料电池10包括隔板11、阳极12、电解质膜13、阴极14、氢/氧/冷却剂分布结构体15、阳极流场(flow field)16、阴极流场17和冷却剂流场18。
在燃料电池10的运行过程中，氢通过供氢电磁阀20和管线38从供氢源19供应至阳极流场16。
为提高氢的利用率，燃料电池10中的氢进行再循环。更具体地说，在关闭放气阀21的同时，未反应的氢通过氢再循环鼓风机22的操作而转移至管线23，然后通过氢再循环鼓风机22和氢再循环控制阀24返回至阳极流场16。
氢放气阀21在预定时刻打开预定的一段时间，将通过电解质膜13流向阳极的氮和水分排出。
将氧通过管线25而从环境空气46供应到空气鼓风机26，空气鼓风机26控制空气的流动，以将空气通过管线27供应到阴极流场17。
阳极流场16中的氢(H2)通过阳极12的催化剂被分解成氢离子(H+)和电子(e-)，氢离子通过电解质膜13移动至阴极14。
阴极流场17中的氧(O2)通过阴极14的催化剂被分解成氧离子(O-)，从阳极移动过来的氢离子(H+)和氧离子(O-)反应形成H2O。
供应到阴极流场17的氧在反应中消耗，因此阴极流场17中的氧浓度低于环境空气中的氧浓度(即，存在更多的氮)。阴极流场17中产生的空气通过排气管28排出。
燃料电池10通过供应到冷却剂流场18的冷却剂来冷却。为保持燃料电池的最佳温度，设置了冷却剂泵29。即，冷却剂流场18中的冷却剂使燃料电池冷却，并且被加热。温度升高的冷却剂通过管线30被送入冷却剂泵29，然后通过管线31被导入热交换器32进行冷却。
冷却下来的冷却剂通过管线33、冷却剂控制阀34和管线35而被送回到冷却剂流场18中，以使燃料电池10冷却。
但是，当空气中的氧在燃料电池的启动和关闭过程中被送入阳极流场16时，如图2所示(美国专利申请公开号2003/0134165 A1)，氢/氧界面在燃料电池中部分形成，其在阴极上腐蚀碳支撑材料，从而损坏燃料电池的性能。
已经提出了多种用于降低因在燃料电池启动和关闭过程中形成氢/氧界面而导致的性能受损的装置和方法，其总结如下：
1.添加装置，例如：
1)电阻(美国专利申请公开号2003/0134165A1)；
2)气体燃烧器(gas burner)(美国专利申请公开号2003/0031966A1)；
3)氢再循环鼓风机中的多个氢气燃烧器(美国专利申请公开号2003/0129462 A1)；和
4)氮气瓶(nitrogen bomb)。
2.燃料电池启动/关闭方法，例如：
1)在阳极吹扫(purge)氮，并在燃料电池关闭过程中吹扫空气(美国专利申请公开号2003/0134165 A1)；
2)在启动过程中首先向阳极供应氢(美国专利申请公开号2003/0134165 A1)；和
3)通过向氢再循环鼓风机中的氢气燃烧器中供应氢来除去氧(美国专利申请公开号2003/0129462 A1)。
但是，使用气体燃烧器具有安全性问题，而且需要额外的装置。这种额外的装置在设计上需要更多的电力和空间。
另外，使用氮气瓶具有一些问题：它需要在运输工具中安装氮气瓶的额外装置，而且当氮气耗尽时必须重新充满氮气瓶。
此外，在燃料电池关闭过程中吹扫空气，会不可避免地在阳极上形成氢/氧界面，该氢/氧界面缩短了阳极被空气充满的时间，从而损坏燃料电池的性能。
而且，在使用该燃料电池启动/关闭过程的装置和方法中，启动和关闭非常费时，这会导致不方便的问题。
因此，现有技术的装置和方法对燃料电池的持久性性能具有不利影响。而且，如果氢废气和空气废气暴露于空气，则有可能由于环境空气中的污染物而导致燃料电池的损坏。
背景技术部分公开的信息仅用于有助于理解本发明的背景，不应当理解为认可或以任何方式暗示该信息形成了本领域技术人员已公知的现有技术。
发明内容
为解决上述技术问题致力于本发明，本发明的目的是提供一种防止燃料电池阴极上的碳腐蚀的装置，其可以通过防止在燃料电池的启动和关闭过程中在燃料电池的阳极形成氢/氧界面来有效防止阴极上的碳材料的腐蚀。
一方面，本发明提供了一种防止燃料电池阴极上的碳腐蚀的装置，该装置包括：空气鼓风机，其将空气从供气源供应到燃料电池；燃料电池，其从空气鼓风机接收空气以便通过化学反应来发电；排气管，在空气中的氧被燃料电池中的化学反应消耗之后剩余的残余空气通过其被排出；压力传感器，其设置在排气管中，用于检测燃料电池中的空气压力；排气电磁阀，其设置在排气管中，用于控制排气管中的空气流；以及控制器，其通过接收由压力传感器检测的信号来控制空气鼓风机和排气电磁阀的运行。控制器通过空气传感器来检测空气压力，以使空气鼓风机向燃料电池供应空气，直至空气压力达到预定压力，然后关闭排气电磁阀，直至燃料电池中的氧完全耗尽，从而防止在燃料电池的阳极形成氢/氧界面。
在一个优选实施方式中，减压阀(PRV)设置在压力传感器和排气电磁阀之间。
在另一个实施方式中，存储罐设置在排气管中，以存储通过排气管排出的水，排水电磁阀设置在存储罐下方，以排出存储罐中的水。
在又一个优选实施方式中，排气电磁阀装配有热电阻线，以防止排气电磁阀在温度降至低于零度时由于水而冻结。
在又一个优选实施方式中，排水电磁阀装配有热电阻线，以防止排气电磁阀在温度降至低于零度时由于水而冻结。
在另一个优选实施方式中，供气电磁阀设置在空气鼓风机和燃料电池之间，以使燃料电池中的化学反应消耗的空气的量最小化，从而减少阴极被氮所充满的时间。
在又一个优选实施方式中，储能耗能装置与燃料电池连接，以迅速耗尽被导入燃料电池中的空气中所含的氧。
应当理解，本文所使用的术语“运输工具”、“运输工具的”或类似术语包括通常的机动运输工具，例如客用运输工具，包括运动型多功能车(SUV)、公共汽车、卡车、各种商用运输工具、水运工具包括多种小艇和船舶、航空器和类似物。
下文说明本发明的其他方面。
附图说明
图1是燃料电池运输工具(fuel cell vehicle)的常规燃料电池系统的示意图；
图2是说明常规燃料电池系统中氢/氧界面的形成的示意图；
图3是说明根据本发明优选实施方式的防止燃料电池阴极上的碳腐蚀的装置的结构示意图；
图4是说明图3的排气管中设置的安全阀的示意图；
图5是说明根据本发明另一个实施方式的防止燃料电池阴极上的碳腐蚀的装置的结构图；
图6是说明根据本发明又一个实施方式的防止燃料电池阴极上的碳腐蚀的装置的结构图；
图7是说明根据本发明再又一个实施方式的防止燃料电池阴极上的碳腐蚀的装置的结构图
附图中列出的附图标记包括涉如下文中所进一步讨论的如下元件的标记：
10：燃料电池            11：隔板(separator)
12：阳极                13：电解质膜
14：阴极
15：氢/氧/冷却剂分布结构体
16：阳极流场            17：阴极流场
18：冷却剂流场          19：供氢源
20：供氢阀              21：吹扫阀
22：氢再循环鼓风机
23、25、27、30、31、33、35、38和30：管线
24：氢再循环控制阀
26：空气鼓风机          28：排气管
29：冷却剂泵            32：热交换器
34：冷却剂控制阀        36：排气电磁阀
37：压力传感器          40：PRV
41：装配有热电阻线的排气电磁阀
42：存储罐
43：装配有热电阻线的排水电磁阀
44：供气电磁阀
45：储能耗能装置
46：空气
具体实施方式
现在详细参考本发明的具体实施方式，下文所附的附图中对其实施例进行说明，其中通篇以相似的附图标记来标记相似元件。以下对实施方式进行说明，通过参考附图3-7来解释本发明。
如上所述，现有技术存在如下问题：1)结构复杂(电阻、氢再循环线中的氢燃烧器、氮气罐等)；2)复杂的启动/关闭过程需要的时间过多；3)在使用额外装置的启动/关闭过程中，由于空气流入阳极而导致性能稳定性降低；和4)因氢废气和空气废气暴露于空气所造成的燃料电池污染引起稳定性降低。
例如，燃料电池中的水分可以在干燥的大气条件下蒸发，MEA的增湿水被蒸发，导致性能降低。而且，当燃料电池10长时间放置时，环境空气中的污染物如CO、HC、O3、H2S等和有机物质渗透到燃料电池10中，降低了燃料电池10的性能。
本发明致力于解决现有技术的这些问题，防止在燃料电池的启动和关闭过程中在阳极形成氢/氧。
根据本发明的优选实施方式，压力传感器37和排气电磁阀36设置在排气管28中。
通常，在燃料电池10的运行过程中，空气通过排气管28从燃料电池10排放到外部。
在燃料电池10的关闭过程中，燃料电池10中的终端供应电力(terminal supplying electric power)短路，燃料电池10具有开路电压(OCV)。
这时，通过供氢阀20和供氢管38将氢连续送入燃料电池10，同时关闭排氢阀21，以参与燃料电池10中的化学反应。然后将未反应的残余氢通过氢再循环鼓风机22而进行再循环。
压力敏感器37检测排气管28的空气压力，接收压力传感器37所检测的信号的控制器将控制信号传送至空气鼓风机26，以向燃料电池提供空气，直至达到预定压力。达到预定压力时，空气鼓风机26的运行被终止并关闭排气电磁阀36。
在这种情况下，压力可以设定至1.01巴至3.0巴的绝对压力，优选1.1巴至2.0巴的绝对压力。
以下对根据本发明优选实施方式的燃料电池10中发生的氢和氧的反应进行描述。
1.阳极12上的反应
阳极12和排氢管39中充满的氢与从阴极14中流出的氧反应形成水。即，两个H2分子与一个O2分子反应，形成两个H2O分子。
当这种反应在阳极12上连续发生时，氢被逐渐消耗，因此其压力降低。
2.阴极14上的反应
空气充满了阴极14和排气管28，且空气中所含的氧与从阳极12流出的氢反应，在阴极14上形成水。即，两个H2分子与一个O2分子反应，形成两个H2O分子。
当这种反应在阴极14上连续发生时，氧逐渐被消耗，因此其压力降低。
上述反应进行至供气管27、阴极流场17和排气管28中的空气完全耗尽。
如果氧完全耗尽，由于空气中氧的比例为大约20％，因此供气管27、阴极流场17和排气管28中的压力比预定压力降低了大约20％。
在这种情况下，阳极12和阴极14之间的压力差可以设定为在±1巴以内，优选0.5巴以内。
因此，由于氧完全耗尽后阴极14被氮充满且阳极12被氢充满，因此即使氢直接从供氢源19提供，也不会形成氢/氧界面，从而防止了阴极上的碳腐蚀。
根据本发明的优选实施方式，减压阀(PRV)40设置在排气电磁阀36和压力传感器37之间，从而防止因压力传感器或空气鼓风机故障而造成过压，从而对燃料电池中的MEA进行保护。
PRV40在高于预定压力的压力下运行，以在高压下切断空气供应。
如果氢/氧反应产生的水量过多，则排气电磁阀36在冬天可能冻结。
为解决上述问题，根据本发明的另一个实施方式，可以在排气管中设置有装配有热电阻线的排气电磁阀。即，排气电磁阀36中可以设置有热电阻线。
用于存储从排气管28产生的水的存储罐42可以安装在装配有热电阻线的排气电磁阀41的前方，且装配有热电阻线的排水电磁阀43可以设置在存储罐42的下方，以排出存储罐42中的水。
存储罐42和装配有热电阻线的排水电磁阀43的加入可以应用于本发明的所有其他实施方式。
根据本发明的又一个实施方式，在空气鼓风机26和燃料电池10之间设置有供气电磁阀44，以使燃料电池10中反应的空气的量最小化，从而减少阴极14被氮充满的时间。
这时，压力传感器37检测排气管28的空气压力，接收压力传感器37所检测的信号的控制器将控制信号传送至空气鼓风机26，以将空气提供给燃料电池10，直至达到预定压力。达到预定压力时，空气鼓风机26的运行被终止，关闭排气电磁阀36和供气电磁阀44。
类似地，供气电磁阀44的加入可以应用于本发明的所有其他实施方式。
根据本发明再又一个实施方式，提供了与燃料电池10连接的储能耗能装置45，以迅速耗尽燃料电池10中发生反应的空气中的氧。
储能耗能装置45包括所有能够储电的电元件如电池、超电容器(super capacitor)等。
储能耗能装置45可以应用于运输工具中的所有元件。
因此，通过使用储能耗能装置45而迅速耗尽燃料电池中发生反应的空气中的氧，可以防止因阳极氢/氧界面所导致的阴极上的碳腐蚀。
如上所述，根据本发明，可以防止阴极上的碳腐蚀，从而提供燃料电池的稳定性和性能。
本发明已经参考其优选实施方式进行了说明。但是，本领域技术人员将会认识到，可以在不偏离本发明原理和精神的前提下对这些实施方式进行多种变化，本发明的范围以所附权利要求及其等同物定义。

Claims (14)

1.一种防止燃料电池阴极上的碳腐蚀的装置，所述装置包括：
空气鼓风机，其将空气从供气源供应到燃料电池；
燃料电池，其从所述空气鼓风机接收空气以便通过化学反应来发电；
排气管，在所述空气中的氧被所述燃料电池中的化学反应消耗之后剩余的残余空气通过其被排出；
压力传感器，其设置在所述排气管中，用于检测所述燃料电池中的空气压力；
排气电磁阀，其设置在所述排气管中，用于控制所述排气管中的空气流；和
控制器，其通过接收由所述压力传感器检测的信号来控制所述空气鼓风机和所述排气电磁阀的运行，
其中所述控制器通过所述空气传感器来检测空气压力，以使所述空气鼓风机向所述燃料电池供应空气，直至空气压力达到预定压力，然后关闭所述排气电磁阀，直至所述燃料电池中的氧完全耗尽，从而防止在所述燃料电池的阳极形成氢/氧界面。
2.根据权利要求1所述的装置，其进一步包括设置在所述压力传感器和所述排气电磁阀之间的减压阀(PRV)。
3.根据权利要求1所述的装置，其进一步包括：
存储罐，其设置在所述排气管中以存储通过所述排气管排出的水；和
排水电磁阀，其设置在所述存储罐下方以排出所述存储罐中存储的水。
4.根据权利要求3所述的装置，其中所述排气电磁阀装配有热电阻线，以防止所述排气电磁阀在温度降至低于零度时由于水而冻结。
5.根据权利要求3所述的装置，其中所述排水电磁阀装配有热电阻线，以防止所述排气电磁阀在温度降至低于零度时由于水而冻结。
6.根据权利要求1所述的装置，其进一步包括设置在所述空气鼓风机和所述燃料电池之间的供气电磁阀，以使所述燃料电池中的化学反应消耗的空气的量最小化，从而减少阴极被氮所充满的时间。
7.根据权利要求1所述的装置，其进一步包括与所述燃料电池连接的储能耗能装置，以迅速耗尽被导入所述燃料电池中的空气中所含的氧。
8.根据权利要求2所述的装置，其进一步包括：
存储罐，其设置在所述排气管中以存储通过所述排气管排出的水；和
排水电磁阀，其设置在所述存储罐下方以排出所述存储罐中存储的水。
9.根据权利要求8所述的装置，其中所述排气电磁阀装配有热电阻线，以防止所述排气电磁阀在温度降至低于零度时由于水而冻结。
10.根据权利要求8所述的装置，其中所述排水电磁阀装配有热电阻线，以防止所述排气电磁阀在温度降至低于零度时由于水而冻结。
11.根据权利要求2所述的装置，其进一步包括设置在所述空气鼓风机和所述燃料电池之间的供气电磁阀，以使所述燃料电池中的化学反应消耗的空气的量最小化，从而减少阴极被氮所充满的时间。
12.根据权利要求2所述的装置，其进一步包括与所述燃料电池连接的储能耗能装置，以迅速耗尽被导入所述燃料电池中的空气中所含的氧。
13.根据权利要求3所述的装置，其进一步包括设置在所述空气鼓风机和所述燃料电池之间的供气电磁阀，以使所述燃料电池中的化学反应消耗的空气的量最小化，从而减少阴极被氮所充满的时间。
14.根据权利要求3所述的装置，其进一步包括与所述燃料电池连接的储能耗能装置，以迅速耗尽被导入所述燃料电池中的空气中所含的氧。
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